夏 浪，王 品，曹經(jīng)緯，李紅梁

（株洲時代電子技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著中國鐵路系統(tǒng)的多次提速，列車行駛速度不斷提高，行車頻度和運營負荷也越來越大，中國鐵路正在向高速、重載的方向快速發(fā)展。利用大型鋼軌探傷車對在役鋼軌進行快速檢測已成為鐵路維護的重要手段之一［1-5］。大型鋼軌探傷車檢測作業(yè)時，通過車下不同角度的超聲波探頭發(fā)射超聲波來實現(xiàn)對鋼軌內(nèi)部缺陷的檢測，但對于系統(tǒng)識別出的疑似鋼軌傷損信息，卻需技術(shù)人員進行復核確認［6］。探傷車B顯數(shù)據(jù)是以超聲探頭在鋼軌軌面入射點為基準，在聲束傳播方向上的對應(yīng)聲程位置顯示反射點圖形。為了促進鋼軌傷損檢測應(yīng)用水平的提升，石永生等［7］分析了鋼軌探傷車實際應(yīng)用B顯數(shù)據(jù)中鋼軌接頭處不明反射點；馬運忠等［8］分析了鋼軌探傷車偏斜70°探頭反射點群；Anish Poudel［9］開展了基于CIVA-UT 技術(shù)對鋼軌傷損缺陷的仿真研究；Kim G等［10］開展了鋼軌缺陷相控陣檢測技術(shù)研究，并基于CIVA軟件進行了仿真模擬實驗和分析。

實際探傷作業(yè)時，為實現(xiàn)對鋼軌的高速超聲掃查，探傷系統(tǒng)需要采用較高的超聲激發(fā)重復頻率以獲得較高的檢測精度。然而，高重復頻率激發(fā)下相鄰兩次超聲激發(fā)間隔時間變短，有可能前一個周期激發(fā)所產(chǎn)生的超聲回波信號未充分衰減完，從而進入下一個激發(fā)周期（或后續(xù)激發(fā)周期）的超聲監(jiān)視閘門內(nèi)，形成“幻象波”，造成鋼軌缺陷誤判［11-13］。高速探傷時，有時在鋼軌接縫螺孔兩側(cè)一定距離內(nèi)會出現(xiàn)多處70°探頭的疑似傷損回波信號，但實際為“幻象波”［14］。

針對鋼軌探傷車中心70°探頭在軌頭處異常出波而影響鋼軌傷損判別的問題，本文對鋼軌探傷車中心70°探頭在軌底橫向裂紋附近的幻象波信號進行了理論分析與計算，并總結(jié)了其特點，可用于探傷系統(tǒng)的激發(fā)控制時序優(yōu)化及實際的傷損判別分析。

1 幻象波產(chǎn)生原理

目前，國內(nèi)鋼軌探傷車持續(xù)探傷檢測速度最高達80 km/h。車輛配備了30 路超聲通道用于鋼軌內(nèi)部缺陷的高速掃查，掃查角度包含有0°、37.5°、70°陣列、偏斜70°及側(cè)打等，如圖1 所示。其中，70°陣列探頭包含內(nèi)/中/外3個70°探頭，中心70°探頭覆蓋軌頭中心區(qū)域（發(fā)射的超聲波可通過軌頭進入軌腰和軌底區(qū)域），內(nèi)/外70°探頭覆蓋軌頭內(nèi)外側(cè)區(qū)域。

圖1 探傷車超聲探頭配置Fig.1 Probe configuration of RFD vehicle

由于超聲波在鋼軌內(nèi)的傳播速度（橫波聲速為5 900 m/s，縱波聲速為3 230 m/s）遠大于探傷車的檢測速度，超聲波探頭發(fā)射的超聲波在遇到鋼軌內(nèi)反射體經(jīng)多次反射后仍可能被探頭接收，當接收到的回波信號幅值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的傷損報警閾值時，系統(tǒng)會實時記錄回波信息并以相應(yīng)圖形方式進行顯示。如圖2所示，當超聲探頭發(fā)射出的超聲波傳播時間T大于重復激發(fā)周期T0且接收到的回波剛好能夠進入下一周期（或后續(xù)n周期）的超聲波通道監(jiān)視閘門范圍并且幅值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)報警閾值時，探傷檢測系統(tǒng)會提取超聲通道監(jiān)視閘門內(nèi)的回波信號相對于下一周期（或后續(xù)n周期）激發(fā)脈沖的時間T1，同時計算出該反射點在鋼軌內(nèi)部的對應(yīng)埋藏深度信息，并以B 顯圖形方式顯示對應(yīng)反射點圖標。然而實際上此時鋼軌此位置并無傷損。

圖2 幻象波產(chǎn)生原理Fig.2 Principle of ghost echo

探傷系統(tǒng)的超聲激發(fā)形式為等間距激發(fā)（低速下為等時激發(fā)），即一定速度范圍內(nèi)的激發(fā)間隔距離為定值。當檢測速度動態(tài)變化時，T0會相應(yīng)變化，而超聲信號在鋼軌內(nèi)的傳播時間T不變，這樣T1會隨速度變化而同步變化，使得幻象波信號在B顯圖形上的顯示位置也會變化。

2 中心70°探頭反射點群數(shù)據(jù)特征

本文以某鋼軌探傷車出廠標定測試時（鋼軌類型為60 kg/m，里程為95.887 km，檢測速度V車為79.10 km/h）B顯數(shù)據(jù)中的中心70°探頭異?；夭c數(shù)據(jù)為分析對象，如圖3所示。圖3中，在軌底橫向裂紋回波信號點（藍色圓圈標注）兩側(cè)軌頭區(qū)域出現(xiàn)了前后中心70°探頭回波信號點群，疑似軌頭核傷為重傷（紅色圓圈標注）。兩處70°探頭信號點群為2個探輪的中心70°探頭信號，與軌面有一定的傾斜角度且走向一致。已知標定線傷損軌在該處未設(shè)置軌頭核傷，僅在中心70°探頭回波信號點群中間的軌底處設(shè)置了軌底橫向裂紋傷損，故初步推斷為中心70°探頭發(fā)射的超聲波在遇到軌底橫向裂紋后形成的回波信號被中心70°通道接收，且進入了對應(yīng)的監(jiān)視閘門，形成所謂的幻象波信號，進而被系統(tǒng)識別為疑似傷損。

圖3 B 顯數(shù)據(jù)回波信號點Fig.3 Echoes in B-scan

圖4 超聲波傳播路徑示意Fig.4 Ultrasonic propagation path

2.1 超聲波傳播路徑分析

探傷車上配備的70°陣列探頭（含內(nèi)、中心、外直70°）主要用于檢測鋼軌頭部及軌腰頂部的傷損，其對應(yīng)的監(jiān)視閘門可以覆蓋鋼軌軌頭（中心70°探頭監(jiān)視閘門含一部分軌顎）區(qū)域。系統(tǒng)前/后中心70°探頭所發(fā)射的超聲波在鋼軌內(nèi)傳播方向呈對稱形式，能夠通過軌面到達軌底，因此推斷疑似傷損點為幻象波，其由前/后中心70°探頭發(fā)射的超聲波擴散聲束經(jīng)過軌底橫向裂紋反射后原路返回，在下一周期內(nèi)被中心70°探頭接收且進入其監(jiān)視閘門而形成的，如圖 4 所示。圖中，黃色及綠色矩形框為疑似傷損位置，紅色箭頭線為擴散聲束，黃色及綠色線為系統(tǒng)計算聲束。此外，由于超聲波具有一定的聲束擴散角度，聲程越遠，聲束反射點越多，所以此類幻象波信號點群顯示比實際反射體更大。

2.2 聲程計算

國內(nèi)的大型鋼軌探傷車探傷系統(tǒng)超聲激發(fā)采用定時激發(fā)和定距激發(fā)相結(jié)合的方式，即車速低于某一速度時，采用定時激發(fā)；車速超過某一速度時，則針對不同的檢測速度范圍，采用等間距激發(fā)。如表1所示，ΔL為不同檢測速度區(qū)間內(nèi)超聲的發(fā)射間隔距離。鑒于圖3中的兩個中心70°探頭幻象波的產(chǎn)生原理相同，本文僅列出其中一個幻象波的計算驗證過程。

表1 不同速度下的掃查間隔Table 1 Scan intervals at different speeds

圖5為幻象波聲程示意。圖中，L1為探頭擴散聲束在遇到軌底橫向裂紋后返回探頭聲波的聲程（單程），L2為系統(tǒng)實際計算時的聲程（L2=L1），L3為幻象波距離軌底橫向裂紋的水平距離，L4為探頭入射點與幻象波的水平距離，H1為幻象波距離鋼軌表面的深度，H2為60軌軌高，β為鋼軌內(nèi)主聲束折射角，θ為半擴散角。

圖5 幻象波聲程示意圖Fig.5 Ultrasonic path of ghost echo

1個周期內(nèi)超聲波聲程（單程）L聲的計算如下：

式中：V鋼——鋼軌內(nèi)橫波聲速（V鋼=3 230 m/s）。

L1的計算如下：

通過計算可得：L聲=472.5 mm，L2=L1=540 mm，H1=25.28 mm，L3=448.56 mm。

根據(jù)圖3 所示的實際B 顯數(shù)據(jù)測量可得：幻象波距鋼軌表面的深度為28 mm，幻象波與軌底橫向裂紋的水平距離為450 mm。

綜上，L3、H1的計算值、實測值及其誤差值如表2所示。這表明圖3所示鋼軌軌頭中心70°探頭幻象波的計算驗證結(jié)果（L3和H1）與檢測數(shù)據(jù)B顯圖中的測量結(jié)果（見圖3測量結(jié)果）基本吻合。

表2 L3、H1的計算值、實測值和誤差值Table 2 Calculated，measured，and error values of L3 and H1

實際探傷作業(yè)中，中心70°探頭的監(jiān)視閘門時間范圍一般設(shè)置為18～83 μs。通過計算可得，對應(yīng)在鋼軌內(nèi)的深度為9.97～45.99 mm。根據(jù)上述聲程計算原理，中心70°探頭因軌底橫向裂紋原因在軌頭可能出幻象波的車輛檢測速度（單位km/h）大致在［18，20］、［36，40］、［54，60］及［72，88］范圍內(nèi)。由于車輛的輪徑及編碼器累計誤差等因素，速度范圍可能會有細微差異；可能出幻象波的位置與軌底橫向裂紋的水平距離范圍約為438～489 mm。由于超聲探頭實際聲束擴散角與理論擴散角不完全相同，同時，實際鋼軌中的內(nèi)部缺陷反射體與標定線路模擬的人工傷損也會存在差異性，理論計算得出的幻象波出波位置與實際可能會有些許差異。另外，由于超聲傳播路徑較長，信號衰減嚴重，當車輛檢測速度處于上述檢測速度范圍時，不一定都會出現(xiàn)幻象波。

3 仿真驗證

為驗證本文超聲傳播路徑分析和聲程推導計算的有效性，本文利用CIVA2021 超聲仿真軟件進行超聲缺陷動態(tài)檢測仿真試驗。軟件設(shè)置信息如下：

1）導入工件。軌型為60 kg/m鋼軌模型，如圖6。

圖6 CIVA 工件設(shè)置Fig.6 Specimen setting of CIVA software

2）設(shè)置探頭參數(shù)。尺寸為19 mm×19 mm、聚焦方式為平面，見圖7。

圖7 CIVA 探頭設(shè)置Fig.7 Probe setting of CIVA software

3）設(shè)置檢測參數(shù)。晶片角度為折射角68°，根據(jù)檢測需求設(shè)置掃查路徑，見圖8。

圖8 CIVA 檢測設(shè)置Fig.8 Inspection setting of CIVA software

4）設(shè)置缺陷。設(shè)置半徑為6 mm 的半圓形鋼軌軌底橫向裂紋，見圖9。

圖9 CIVA 缺陷設(shè)置Fig.9 Flaw setting of CIVA software

CIVA 仿真B 顯圖、超聲聲束圖及超聲回波圖如圖10～圖12所示。

圖10 CIVA 仿真B 顯圖Fig.10 B-scan of CIVA simulation

圖11 CIVA 仿真超聲聲束圖Fig.11 Ultrasonic beam diagram of CIVA simulation

圖12 CIVA 仿真超聲回波圖Fig.12 Ultrasonic echo diagram of CIVA simulation

從仿真結(jié)果可以看出，中心70°探頭發(fā)射的超聲波遇到軌底橫向裂紋后，有明顯的超聲回波信號，且回波時間為338.34 μs。

根據(jù)2.2節(jié)的計算結(jié)果可知L1=540 mm，則超聲回波時間T1=2L1/V鋼，即334.36 μs。

綜上，仿真計算的回波時間與聲程計算的超聲回波時間基本一致，驗證了本文對鋼軌軌頭中心70°探頭異常反射點群分析的有效性。

4 傷損判定應(yīng)用

大型鋼軌探傷車B顯數(shù)據(jù)中，因軌底橫向裂紋（或焊縫焊筋、軌底銹蝕等）引起中心70°探頭在軌頭處的信號點群形狀和位置基本確定。實際檢測中，當出現(xiàn)前后中心70°探頭出現(xiàn)較強回波反射點群時，可利用2.2節(jié)中幻象波分析方法進行軌底橫向裂紋、軌底銹蝕或焊筋出波的傷損判定分析。

圖13 所示為探傷車檢測某鐵路線路時，在線路302.322 km 母材處報告3 處疑似傷損，包括軌頭中心70°探頭兩處疑似核傷及一處軌底橫向裂紋。結(jié)合本文幻象波分析方法可知，其中兩處軌頭中心70°探頭的出波實際為軌底橫向裂紋引起的幻象波，避免了將這兩處出波報告為疑似軌頭核傷，也進一步明確了軌底存在疑似橫向裂紋傷損，提高了傷損報警的準確率，降低了誤報率，同時也減少了現(xiàn)場復核的工作量。

圖13 302.322 k m 里程處B 顯（母材）圖Fig.13 B-scan at 302.322 km(steel rail)

圖14 所示為探傷車檢測某鐵路線路時，在線路889.825 km 焊縫處的B 顯數(shù)據(jù)。焊縫兩側(cè)存在較強的中心70°探頭反射點群，疑似軌頭核傷。但根據(jù)本文的幻象波分析及軌底45°探頭的反射情況綜合分析可知，軌頭兩處反射點群為軌底焊縫焊筋的反射引起的幻象波，因此可以避免將這兩處反射點群當作疑似軌頭核傷進行報告，提高了傷損報警準確率。

圖14 889.825 km 里程處B 顯（焊縫）圖Fig.14 B-scan at 889.825 km(weld seam)

5 結(jié)束語

本文對軌底橫向裂紋引起的軌頭中心70°探頭反射點群進行了理論分析及仿真計算，并基于探傷車實際線路檢測數(shù)據(jù)進行了傷損判別分析，可以得出以下結(jié)論：

1）當檢測車速（單位km/h）在［18，20］、［36，40］、［54，60］及［72，88］范圍內(nèi)時，該類中心70°探頭易出現(xiàn)異常反射點群，且出波位置距離軌底橫向裂紋的水平距離約為438～489 mm；

2）當探傷車B顯數(shù)據(jù)中心70°探頭在鋼軌軌頭位置出現(xiàn)異常反射點群，且出波位置周邊一定距離范圍內(nèi)（438～489 mm）為鋼軌母材時，鋼軌軌底可能存在近似軌底橫向裂紋的傷損，應(yīng)引起重視并報告疑似傷損進行現(xiàn)場復核確認，同時不宜將鋼軌軌頭類似70°探頭反射點群當作傷損報警進行報告；

3）當探傷車B顯數(shù)據(jù)中心70°探頭在鋼軌軌頭位置出現(xiàn)異常反射點群，且出波位置周邊一定距離范圍內(nèi)（438～489 mm）存在鋼軌焊縫時，在焊縫軌底出波正常時，不宜將鋼軌軌頭類似中心70°探頭反射點群當作疑似傷損報警進行報告。

該類70°探頭幻象波的論證計算結(jié)果，可為探傷車的激發(fā)控制及傷損判定提供參考依據(jù)，具有重要的實踐意義。下一步將研究如何在鋼軌探傷檢測中利用有效的技術(shù)方法減少類似的非實際鋼軌缺陷反射點群，以促進鋼軌探傷車檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升。